指向物理学科核心素养的“磁场的描述”单元教学设计

杨桦，马亚鹏，刘瑞峥

摘   要：建立“磁场的描述”单元的基本概念是认识磁场的重要途径。基于核心概念的单元教学有助于学生建立知识结构进而形成物理观念，通过对比分析新、旧教材“磁场的描述”的单元内容来理清逻辑线索，挖掘涉及科学方法的教学要点，以问题链的形式设计核心教学任务，优化“磁场的描述”的单元教学。

关键词：核心概念;磁场;问题链;单元教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2022）5-0030-6

场是物质存在的一种形式，高中物理主要通過电场和磁场来系统地认识场。为了从物质观的角度认识磁场，就要运用科学方法，建立对磁场加以描述的科学概念。本文将“磁场的描述”作为一个独立单元，围绕单元核心概念，梳理知识结构与逻辑线索，以问题链驱动核心教学任务来实现教学改进。

1    “磁场的描述”单元教学内容分析

1.1    分析教材结构与逻辑线索

从教材比较的视角对人民教育出版社2010年版高中物理教材[1]和2019年版高中物理教材[2]（以下分别简称为“10版教材”和“19版教材”）中“磁场的描述”内容进行分析。

“10版教材”中，首先讲解了磁现象、电流的磁效应、磁场和地磁场，接着重点讲解了磁感应强度的方向和大小，最后讲解了磁感线、安培定则、安培分子电流假说、匀强磁场和磁通量等内容，其知识结构如图 1所示。

“19版教材”除了对“10版教材”中的部分内容进行调整外，还加强了概念之间的联系，使得单元整体结构也更为合理。“19版教材”首先讲解了电流的磁效应、磁场、磁感线和安培定则，接着重点讲解了磁感应强度、匀强磁场和磁通量，其知识结构如图 2所示。

由此可见，两版教材的知识逻辑线索大致相同，均由磁现象引出磁场的学习，体现了“现象为物理学之源”的理念。但两版教材一些内容的呈现方式还需要进一步优化：

（1）对于“场”这种看不见摸不着的物质，只能根据相应的现象来“捕捉”，即学生需要利用磁体的磁现象和电流的磁效应判断磁场的存在。“10版教材”比较完整地介绍了磁体的磁现象和电流的磁效应，而“19版教材”考虑到学生已在初中学习过磁场的初步知识，因此，仅在引入栏目中展示了罗盘的应用，且只简单讲述了电流的磁效应，在物理现象的展开上有些单一，不利于学生头脑中物理表象的生成。

（2）两版教材中“磁感应强度”和“磁感线”顺序不同。磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量，人们为了形象、直观地描述磁场，还根据磁感应强度的空间分布情况描绘了磁感线。因此，从逻辑上讲是先有磁感应强度，后有磁感线。“19版教材”中先讲磁感线后讲磁感应强度，虽考虑了学生关于磁感线的已有经验，却将磁感应强度的大小和方向分属成两部分，不利于概念的建构。

（3）磁通量概念的引入不同。“10版教材”直接指出“研究电磁现象的需要，常常讨论穿过某一面积的磁场及其变化，为此引入一个新的物理量——磁通量”[1]，导致从磁感应强度和磁感线到磁通量这一逻辑线索是割裂的。而“19版教材”从磁感线密集程度与磁感应强度之间的关系入手，较好地解决了这一问题。

1.2    挖掘单元科学方法

科学方法是联结物理现象和物理知识的纽带，在物理知识的获取过程中发挥着重要作用。“磁场的描述”单元内容中蕴含着丰富的科学方法，如表 1所示。

1.3    优化单元知识结构

依据上述分析，确定本单元的核心概念为磁场。核心任务有二：一是感知磁场的存在，二是建立描述磁场的基本概念。

其教学逻辑可展开为：首先，从磁现象入手，建立磁场的概念，归纳磁场的基本性质;其次，感知磁场的强弱和方向，类比电场强度建立磁感应强度的概念;再次，绘制磁感线并研究电流的磁场，归纳安培定则;最后，选择一面元分析磁感线条数多少与磁感应强度大小之间的关系，建立磁通量的概念。依据以上教学逻辑优化后的知识结构如图 3所示。

2    单元设计

2.1    制订单元教学目标

（1）物理观念：知道磁场是一种物质;会用磁感应强度、磁感线和磁通量等物理概念来描述磁场;了解上述概念间的逻辑关系。

（2）科学思维：通过观察和分析磁现象，能类比“电场的描述”来建立“磁场的描述”的概念;运用模型建构、比值定义法和作图法等科学方法建立概念。

（3）科学探究：能对各种磁现象进行推理分析，归纳磁场的基本性质;通过探究电流元受磁场的作用，掌握获得证据并利用证据表达自己的观点的方法。

（4）科学态度与责任：认识到对磁场的研究是建立在对磁现象的观察和解释基础上的;体会科学方法对物理学研究的推动作用。

2.2    单元教学活动设计

本单元含有较多抽象概念，组织教学活动时需紧紧围绕磁场这一核心概念，基于学生原有认知创设情境并设计问题链，使学生明确引入这些概念的原因，再经历概念建立的过程，主要教学活动如图 4所示。

2.2.1    感知磁场的存在

教学环节一：

[情境创设] 我国西汉时期，有一位术士制作了一对既能相互吸引，又能在调整位置后相互排斥的棋子，汉武帝给这对棋子取名为“斗棋”。

[学生思考]

（1）在生活中你见过这样的棋子吗？“斗棋”是根据什么原理制作而成的？

（2）磁体间的相互作用是靠什么产生的？B31431D3-1247-44E1-8CCB-D747C0EAF485

（3）哪位科学家发现通电导线周围存在磁场？

请学生描述奥斯特电流的磁效应现象。

[设计意图] 利用学生熟知的磁体间相互作用以及电流的磁效应现象，引出磁场的学习。

教学环节二：

在请学生猜测电流间会不会产生力的作用后，教师演示电流间的相互作用实验，如图 5所示。

[引导归纳] 磁场不仅会对其中的磁体施加作用，对电流也会产生力的影响;作为“场”的一种类型，磁场同电场一样都是一种物质。

[设计意图] 观察电流间的相互作用，归纳磁場的基本性质。

2.2.2    建立磁感应强度概念

教学环节一：

[情境创设] 由磁场的基本性质可知，通电直导线会在磁体的作用下产生偏幅，且磁场越强，通电导线产生的偏幅越大。请同学们预测通电导线在条形磁铁和强磁铁周围，哪个使通电导线产生的偏幅更大？

学生根据“体型”预测在条形磁铁的作用下产生更大的偏幅。而实验证明通电导线在强磁铁作用下的偏幅更明显，换言之在靠近磁铁的位置强磁铁的磁场强于条形磁铁的磁场（图 6）。磁场的强弱用物理量磁感应强度表示，方向与小磁针静止时N极所指的方向一致。请学生类比描述电场强度的方法来描述磁感应强度。

[学生思考]

（1）可选择哪些物体作为研究磁场的试探物？

（2）选用小磁针或通电导线作为研究磁场性质的试探物各有什么优点和缺点？

[设计意图] 学生通过实验感知磁场是有强有弱的;利用类比电场的研究方法并综合小磁针和通电导线各自的优缺点，引导学生选择通电导线作为研究磁感应强度的试探物。

教学环节二：

将通电导线放置在由蹄形磁铁产生的磁场中，其N、S极之间的磁场可看成匀强磁场且方向由N极指向S极。通电导线受力随其放置方式的改变而改变，当通电导线垂直于磁场方向放置时，通电导线的偏幅最大，说明垂直于磁场方向放置的通电导线受到的作用力最大。

[学生思考]

（1）通电导线垂直于磁场方向放置时，受到的磁场作用力大小还与哪些因素有关？

（2）怎样测量通电导线在磁场中的作用力？

学生猜测与电流的大小、磁场中通电导线的长度等因素有关，引导学生采用电子天平设计研究方案。

[学生实验]

实验原理：根据牛顿第三定律，通过测量通电导线在磁场中的“质量”变化，间接“量”出安培力的大小。

实验器材：电子天平、导线、电源、蹄形磁铁等器材。

实验步骤：

（1）在电子天平上固定导线和蹄形磁铁，令通电导线处于匀强磁场中且受到方向竖直向下的安培力，此时对电子天平进行去皮校准，如图 7所示。

（2）打开电源开关，由于通电导线受到竖直向下的磁场力，天平示数变为m，则磁场力数值上等于mg，图 8中磁场对导线的作用力的大小约为0.0002 N。

（3）改变电流的大小，测量、记录对应的磁场作用力。

（4）以并排增加蹄形磁铁的方式增加磁场中导线的长度，测量、记录对应的磁场作用力，如图 9所示。

实验结果：通电导线受到的磁场作用力随电流、导线长度的增大而增大，可见通电导线在磁场中的作用力与电流大小、导线长度成正相关，即F=k·IL。类比电场力的表达式，电流元受到的磁场力为F=B·IL。磁感应强度利用比值定义法表示为B=■。

[设计意图] 引导学生猜想影响电流元受磁场力的因素，再通过电子天平测量磁场力的大小验证猜想;类比电场力得出磁场对通电导线作用力的表达式，进而由比值定义法获得磁感应强度的定义式。

教学环节三：

[学生归纳] 磁场的强弱用磁感应强度来表示，其方向与小磁针静止时N极指向相同，大小可通过磁感应强度的定义式计算。

[设计意图] 巩固知识，帮助学生整体认识磁感应强度这一物理量。

2.2.3    建立磁感线概念

教学环节一：

[激活原有图式] 在条形磁铁周围布置若干小磁针，小磁针的指向不一，但大致是从条形磁铁的N极指向S极。

[学生思考]

（1）在无序的磁场方向中，可以用哪种物理模型来描述磁场的分布呢？

（2）如何绘制磁感线呢？

（3）磁感线上的点反映了什么？

（4）磁场强的位置磁感线分布情况如何？磁场弱的位置呢？

[设计意图] 基于学生关于磁感线的原有图式，建立磁感线和磁感应强度间的联系，即磁感线上的点沿切线方向为该点的磁场方向，磁场越强的位置磁感线分布越密集。

教学环节二：

[情境创设] 一名工厂师傅工作时需要使用条形磁铁，但是正值工厂搬迁，只剩下电源和导线，请思考如何帮助这位师傅利用这些物体替代条形磁铁产生类似的作用。

[设置问题]

（1）这样设计的原因是什么？

（2）如何判别通电螺线管周围的磁场分布？

（3）导线长度只能环绕一圈，形成环形电流，其磁场也能利用右手螺旋定则判断吗？请阐述你的观点和理由？

（4）常用直导线中的电流，其磁场分布是什么样的？电流的方向是否影响磁场分布？

[设计意图] 利用实际问题，唤醒学生关于通电螺线管的认识，以此推理结构与通电螺线管相似的环形电流的磁场分布规律，培养学生的知识迁移能力。在通电螺线管和环形电流的磁场学习后，引导学生积极探索直线电流的磁场。B31431D3-1247-44E1-8CCB-D747C0EAF485

教学环节三：

[学生设计研究方案]

实验器材：直导线、电源、纸板、铁粉、小磁针若干。

实验步骤：

（1）直导线垂直穿过纸板的中心，在纸板上均匀撒上铁粉，导线内通入电流;

（2）由铁粉绘出直线电流磁场分布的形状，再由小磁针确定磁场的方向（图10）;

（3）改变电流的方向，用上述方法绘制反方向电流产生的磁场（图10）。

[学生思考] 直线电流的磁场是否也能利用右手螺旋定则判断？

[设计意图] 学生经历磁感线绘制的过程;由直线电流的磁场，引导学生归纳如何利用安培定则判断直线电流的磁场。

教学环节四：

[设置问题] 如何判断电流的磁场分布？

[学生归纳] 电流的磁场分布可利用右手螺旋定则（安培定则）判断;对于通电螺线管和环形电流，可将其视为条形磁铁，当电流同右手弯曲的四指方向一致时，伸直的拇指相当于条形磁铁的N极;对于直线电流，当右手伸直的拇指同电流方向一致时，弯曲的四指为直线电流的磁场环绕方向。

2.2.4    建立磁通量概念

教学环节一：

[教师提供材料] 去年我国开展了全国人口普查，在研究某地区的人口分布情况时，常常会用单位面积的人口数量反映当地的人口密集程度。同理，磁场垂直穿过一面元，用磁通量表示垂直通过该面元的磁感线总条数（图11），该如何表达磁感应强度呢？

学生类比人口数密度，用磁场的总磁感线条数除以磁场穿过的面元面积来计算磁感应强度。

[设计意图] 由人口数密度作为先行组织材料，让学生意识到用磁通量除以垂直穿过的面积来表示磁感线的密集程度，即B=■。

教学环节二：

[学生思考]

（1）分析磁通量的定义，磁通量是矢量还是标量？

（2）当磁场垂直穿过面元时，如何计算磁通量？

（3）当磁场不是垂直穿过面元时，建立如图 12的坐标系后，磁通量又该如何计算？

（4）磁通量是标量，只能是正数吗？

[设计意图] 建立坐标系引导学生分解磁感应强度，再利用投影在垂直磁场方向上的磁感应强度分量计算磁通量，在降低学习难度的同时，加深学生对磁感应强度矢量性和磁通量的认识。

3    反   思

3.1    基于核心概念整合单元内容

“磁场的描述”单元涉及的物理概念较多，如何合理组织安排这些内容是单元设计的关键。回顾单元设计的研究历程，在比较教材的结构和逻辑线索后，确定“磁场”为本单元的核心概念，并基于核心概念确定了两个单元核心任务，以此优化单元知识结构，从而梳理出单元教学的逻辑，真正做到使“单元设计按步骤、有序地开展系列教学活动”[3]。

3.2    问题链驱动单元教学

以问题驱动的方式引导学生参与教学活动，启发学生思考的同时引导学生完成概念的建构。大多数问题基于学生的经验，有助于激活学生的相关图式并完成知识体系的建构，如“安培定则”教学的引入环节，设置让学生思考如何利用手边的物品替代条形磁铁的实际情境，唤醒学生已有的通电螺线管知识，在运用物理知识解决实际问题的过程中归纳得出安培定则。除此之外，问题链在探究活动中也发挥着重要作用，学生针对问题产生自己的观点后，在教师的引导下，设计方案来验证观点，不仅可以促进学生对概念的理解，还可以落实科学论证能力和问题解决能力的培养，如利用电子天平“称量”磁场力的大小。

3.3    创设情境帮助学生形成丰富的物理表象

為了“使学生获得充分的建立概念的事实依据”[4]，教学设计中需要创设丰富的物理情境帮助学生形成物理表象。如在“磁感应强度”部分，改进实验思路，在“探究影响通电导线受力因素”的基础上，通过采用电子天平定量测量通电导线受到磁场作用力的大小，学生能直观感受到改变磁场中电流的大小或导线的长度后磁场力的变化;在直线电流的磁场部分，由学生设计并完成研究方案，获得直线电流的磁场分布后，根据绘制的磁感线归纳直线电流磁场方向所遵循的安培定则。

参考文献：

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-1[M].北京：人民教育出版社，2011.

[2]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理必修第三册[M].北京：人民教育出版社，2019.

[3]钟启泉.单元设计：撬动课堂转型的一个支点[J]. 教育发展研究，2015，33（24）：1-5.

[4]马亚鹏.中学物理教育教学问题研究[M].西安：陕西师范大学出版总社，2020：130-131.

（栏目编辑    邓   磊）B31431D3-1247-44E1-8CCB-D747C0EAF485